火山活動の予測

火山活動の予測、および火山噴火予報は、火山の噴火の時期と深刻度を予測するための学際的な監視と研究の取り組みです。特に重要なのは、人命や財産の壊滅的な損失、および人間の活動の混乱につながる可能性のある危険な噴火を 予測することです。

リスクと不確実性は予報と予測の中心であり、火山の文脈では必ずしも同じではありませんが、どちらも過去と現在のデータに基づいたプロセスを持っています。

• 地震活動（地震と微動）は、火山が目覚めて噴火の準備をする時に必ず発生し、噴火との非常に重要なつながりとなります。一部の火山では通常、低レベルの地震活動が継続していますが、増加は噴火の可能性が高まっていることを示す可能性があります。発生する地震の種類と、地震の開始と終了の場所も重要な兆候です。火山の地震活動には、短周期地震、長周期地震、調和微動の3 つの主要な形式があります。
• 短周期地震は、通常の断層によって発生する地震に似ています。マグマが上昇する際に脆い岩が破壊されることで発生します。これらの短周期地震は、地表近くのマグマ体の成長を示し、「A」波として知られています。このタイプの地震は、火山テクトニック (VT) イベントまたは地震とも呼ばれます。
• 長周期地震は、火山の配管システム内のガス圧の上昇を示すと考えられています。これは、住宅の配管システムで時々聞こえる「ウォーター ハンマー」と呼ばれる音に似ています。これらの振動は、火山ドーム内のマグマ溜まりの音響振動に相当し、「B」波として知られています。これらは、共鳴波や長周期共鳴イベントとしても知られています。
• 調和振動は、多くの場合、マグマが地表下の上にある岩石に圧力をかけることで発生します。この振動は、人や動物がブンブンという音やブーンという音として感じるほど強い場合もあり、この名前が付けられています。

地震活動のパターンは複雑で、解釈が難しい場合が多いですが、特に長周期地震動が優勢になり、調和振動のエピソードが出現する場合は、地震活動の増加は噴火リスクの増大を示す良い指標となります。

同様の方法を使用して、研究者は20Hz以下の可聴音である超低周波音を監視することで火山の噴火を検知することができます。もともと核実験禁止条約の遵守を確認するために設立されたIMSグローバル超低周波音ネットワークには、噴火する火山の検知と位置特定を行う60の観測所が世界中にあります。^[1]

長周期イベントと差し迫った火山噴火の関係は、1985年にコロンビアのネバド・デル・ルイス山が噴火した際の地震記録で初めて観測された。長周期イベントの発生はその後、1989年のアラスカ州リダウト山の噴火や1993年のコロンビアのガレラス山の噴火を予測するために使用された。2000年12月、メキシコシティの国立防災センターの科学者らは、メキシコシティ郊外のポポカテペトル山で2日以内に噴火が起こると予測した。彼らの予測には、米国地質調査所に勤務し、長周期イベントと差し迫った噴火の関係を初めて観測したスイス人火山学者ベルナール・シュエの研究が利用された。 ^{[2] [3] [4]}政府は数万人を避難させ、48時間後、火山は予測通りに噴火した。これはポポカテペトル山の過去1000年間で最大の噴火だったが、けが人は出なかった。

氷山が座礁したときに発生する氷山の 地震動と火山の地震動の類似性は、専門家が火山噴火を予測するより優れた方法を開発するのに役立つ可能性があります。氷山は火山よりも構造がはるかに単純ですが、物理的に扱いやすいです。火山の地震動と氷山の地震動の類似点には、持続時間と振幅が長いこと、および周波数が共通して変化することなどがあります。^[5]

マグマが地表に近づき圧力が下がると、ガスが放出されます。このプロセスは、炭酸飲料のボトルを開けると二酸化炭素が放出されるのとよく似ています。二酸化硫黄は火山ガスの主成分の 1 つで、その量が増えると地表近くのマグマの量も増えていることを示します。たとえば、1991 年 5 月 13 日には、フィリピンのピナツボ山から二酸化硫黄が大量に放出されました。わずか 2 週間後の 5 月 28 日には、二酸化硫黄の排出量は 5,000 トンにまで増加し、以前の 10 倍になりました。ピナツボ山はその後、1991 年 6 月 12 日に噴火しました。ピナツボ山の噴火前や 1993 年のコロンビアのガレラス山の噴火など、いくつかの機会には、噴火前に二酸化硫黄の排出量が低いレベルまで下がっています。科学者の多くは、このガスレベルの低下は、固まったマグマによってガスの通路が封鎖されたことによるものだと考えています。このような現象は、火山の配管システムの圧力上昇につながり、爆発的な噴火の可能性が高まります。多成分ガス分析システム(Multi-GAS) は、火山ガスの噴煙をリアルタイムで高解像度で測定するために使用される機器パッケージです。^{[6] CO} ₂ /SO ₂比の Multi-GAS 測定により、上昇するマグマの噴火前の脱ガスを検出し、火山活動の予測を向上させることができます。^[6]

火山の膨張は、マグマが地表近くに蓄積したことを示しています。活火山を監視する科学者は、多くの場合、斜面の傾斜を測定し、膨張率の変化を追跡します。膨張率の増加、特に二酸化硫黄の放出と調和振動の増加を伴う場合は、差し迫ったイベントの兆候である可能性が高いです。1980年 5 月 18 日の噴火前のセントヘレンズ山の変形は変形の典型的な例で、マグマが下に蓄積するにつれて火山の北側が上向きに膨らんでいました。地面の変形のほとんどのケースは、通常、科学者が使用する高度な機器でのみ検出できますが、それでもこの方法で将来の噴火を予測できます。ハワイの火山では、大きな地面の変形が見られます。噴火前に地面が膨張し、噴火後には明らかに収縮します。これは、ハワイの火山のマグマ溜まりが浅いためです。マグマの動きは地上で簡単に確認できます。^[7]

マグマの動き、ガス放出の変化、熱水活動はいずれも火山表面の熱放射率の変化につながる可能性があります。これらはいくつかの技術を使用して測定できます。

• 現場、遠隔地、または空中に設置された手持ち式デバイスからの前方監視赤外線放射測定(FLIR)。
• 赤外線バンド衛星画像
• 現場温度測定（温泉、噴気孔）
• 熱流束マップ
• 地熱井戸の エンタルピー変化

水文学を利用して火山の噴火を予測するために使用できる主な方法は 4 つあります。

• ボーリングホールや井戸の水文学的および水力学的測定は、火山の地下ガス圧と熱状態の変化を監視するためにますます使用されています。ガス圧が上昇すると水位が上昇し、噴火の直前に突然低下します。また、熱の集中 (局所的な熱流の増加) により帯水層が減少または乾燥する可能性があります。
• 発生源近くでのラハールやその他の土石流の検出。USGS の科学者は、活火山から流れ出る川の渓谷における土石流や洪水の到達と通過を検出し、継続的に監視するための、安価で耐久性があり、持ち運び可能で設置が簡単なシステムを開発しました。
• 噴火前の堆積物が火山を囲む河川に運ばれると、実際の噴火が差し迫っている可能性が示されます。堆積物のほとんどは、大雨の時期に火山活動で撹乱された流域から運ばれます。これは、機器による監視技術がない場合、地形の変化や熱水活動の増加を示す可能性があります。
• 川岸に堆積した火山堆積物は簡単に浸食され、川の水路が劇的に広がったり深くなったりします。そのため、川の水路の幅と深さを監視することで、将来の火山噴火の可能性を評価することができます。

リモートセンシングとは、火山の表面や噴火雲内の噴出物質から吸収、反射、放射、散乱される電磁エネルギーを衛星のセンサーで検出することです。

• '雲の感知: 科学者は、2つの異なる熱波長のデータを使用して、火山からの異常に冷たい噴火雲を監視し、噴火雲の視認性を高め、気象雲と区別することができます。
• ガスセンシング：二酸化硫黄もオゾンと同じ波長でリモートセンシングによって測定できます。全オゾンマッピング分光計（TOMS）は、火山の噴火時に放出される二酸化硫黄ガスの量を測定することができます。火山からの二酸化炭素の排出は、 NASAの 軌道上炭素観測衛星2を使用して短波赤外線で検出されています。^[8]
• 熱感知: 新しい顕著な熱シグネチャまたは「ホットスポット」の存在は、噴火前の地面の新たな加熱を示している可能性があり、進行中の噴火、または溶岩流や火砕流などのごく最近の火山堆積物の存在を表しています。
• 変形検知: 衛星搭載の空間レーダー データを使用して、隆起や陥没など、火山体の長期的な形状変化を検出できます。この方法では、干渉合成開口レーダー(InSAR) とレーダー画像から生成された数値標高モデルを相互に減算して差分画像を作成し、地形の変化率を表示します。
• 森林監視: 最近、森林の成長を監視することで、噴火の数か月から数年前に噴火による断裂の位置を予測できることが実証されました。樹木の成長を監視するこのツールは、2002年から2003年の火山噴火の際にニヤゴンゴ山とエトナ山の両方で検証されました。^[9]
• 超低周波音の検知：火山噴火を検知する比較的新しいアプローチとして、国際監視システム（IMS）の超低周波音ネットワークの超低周波音センサーを使用する方法があります。この検知方法では、複数のセンサーからの信号を取得し、三角測量を使用して噴火の位置を特定します。^[10]

土砂の移動と崩壊の監視には、地震学 (地震計)、変形、気象学からの技術が活用されます。地滑り、岩石崩落、火砕流、泥流 (ラハール) は、噴火前、噴火中、噴火後の火山物質の土砂崩れの例です。

最も有名な火山性地滑りは、おそらく 1980 年のセント ヘレンズ山の噴火前に侵入したマグマによって形成された隆起部の崩壊です。この地滑りは浅いマグマの侵入を「解き放ち」、壊滅的な崩壊と予期せぬ横方向の噴火を引き起こしました。 岩石崩落は変形が進む時期によく発生し、機器による監視がない場合には活動が活発化している兆候となることがあります。 泥流(ラハール) は火砕流や降灰堆積物から再移動した水和した灰堆積物で、非常に浅い角度でも高速で斜面を下っていきます。密度が高いため、積載した伐採トラック、家屋、橋、岩石などの大きな物体を移動させる可能性があります。堆積物は通常、火山の建造物の周囲に 2 番目の土石扇状地を形成し、内側の扇状地は一次灰堆積物です。最も細かい土砂が堆積した下流では、ラハールは残留水による面状洪水の危険をもたらす可能性があります。ラハール堆積物が乾いて歩行可能になるまでには何ヶ月もかかります。ラハール活動による危険は、大規模な爆発的噴火から数年後も存在する可能性があります。

米国の科学者チームがラハールを予測する方法を開発した。この方法はワシントン州レーニア山の岩石を分析することによって開発された。この警報システムは、新しい岩石と古い岩石の違いに注目することに依存している。新しい岩石は電気伝導性が低く、水と熱によって水熱変質する。したがって、岩石の年齢、つまり岩石の強度がわかれば、ラハールの経路を予測できる。^{[11]また、レーニア山には、}ラハールにつながる可能性のある地盤の揺れを分析して早期に警告するための音響流量モニター（AFM）システムも設置されている。^[12]

2002年1月17日のニイラゴンゴ山の噴火は、何年も火山を研究してきた地元の専門家によって1週間前に予測されていた。彼は地元当局に報告し、国連の調査チームがその地域に派遣されたが、安全であると宣言された。残念ながら、火山が噴火したとき、ゴマ市の40％が破壊され、多くの人々の生活が失われた。専門家は、地元の地形の小さな変化に気づき、2年前にはるかに小さな火山の噴火を監視していたと主張した。彼は、これら2つの火山が小さな亀裂でつながっていることを知っていたので、ニイラゴンゴ山が間もなく噴火することを知っていた。^[13]

英国の地質学者が、エトナ山の将来の噴火を予測する方法を開発した。彼らは、噴火と噴火の間に25年のタイムラグがあることを発見した。地殻深部での噴火を監視することで、今後何が起こるかを正確に予測することができる。これまでのところ、彼らは2007年から2015年の間に火山活動が1972年の半分になると予測している。^{[14] [要出典]火山活動を予測する他の方法は、CO} ₂ /SO ₂比の増加を調べることである。これらの比率は、噴火前のマグマ溜まりの脱ガスを示す。研究チームは、H ₂ O、CO ₂、SO ₂などのガスを観測することで、この研究にエトナ山を使用した。研究チームは、2006年7月と12月に噴火を経験する前にエトナ山をリアルタイムで監視した。これらのCO ₂ /SO ₂比率は、ガスを豊富に含むマグマの加速による今後の噴火の前兆であり、マグマ溜まりを補充するという点で有用である。研究チームが実施した2年間の観測では、これらの比率の上昇は今後の噴火の前兆であることが判明した。噴火の数か月前には、比率が増加し、ピークに達した後に噴火につながったことが記録されている。H ₂ O、CO ₂、SO ₂を測定することは、特にエトナ山での火山活動を予測する有用な方法であると結論付けられた。^[15]エトナ山の火山活動の予測は、4D微小重力解析でも使用できる。このタイプの解析では、GPSと合成開口レーダー干渉法（InSAR）を使用する。密度の変化を計測し、その後、火山系内で起こっているマグマの動きと空間スケールを示すモデルを取得できます。2001年に、重力モデルはエトナ山の質量が2.5×10 ¹¹ kg減少したことを検出しました。最終的に、噴火の2週間前に質量が突然増加しました。火山は、貯蔵ゾーンからより多くのマグマを回収して配管システムの上部に運ぶことで、このマグマの減少を補いました。この回収により、噴火が発生しました。このチームが実施した微小重力研究では、噴火前のマグマ溜まり内のマグマとガスの移動が示されており、これは火山活動を予測するのに役立つ方法です。^[16]

桜島は、おそらく地球上で最も監視されている地域の一つです。桜島火山は、人口50万人を超える鹿児島市の近くにあります。日本の気象庁（JMA）と京都大学桜島火山観測所（SVO）の両方が火山活動を監視しています。1995年以来、桜島は山頂からのみ噴火しており、溶岩の流出はありません。

桜島におけるモニタリング技術：

• 火山活動の兆候は、火山の地下のマグマが蓄積し始めると周囲の土地が隆起することからわかる。桜島では、鹿児島湾の海底が上昇し、その結果、潮位が上昇する。
• マグマが流れ出すと、岩盤が溶けたり割れたりする現象が火山性地震として観測されます。桜島では、火山性地震は地表から2～5キロメートル下の深さで発生します。火山性地震をより確実に検知するために、地下観測トンネルが使用されています。
• 地下水位が変化し始め、温泉の温度が上昇し、放出されるガスの化学組成と量が変化する可能性があります。温度センサーがボーリングホールに設置され、地下水の温度を検知します。桜島ではガスの毒性が強く、噴火の直前にHClガスとSO2ガスの比率が著しく増加するため_{、リモートセンシングが使用されています。}
• 噴火が近づくと、傾斜計システムが山の微細な動きを測定します。データは SVO の監視システムにリアルタイムで中継されます。
• 地震計は、噴火の開始を知らせる火口直下で発生する地震を検知します。地震は爆発の 1 ～ 1.5 秒前に発生します。
• 爆発が過ぎると、傾斜計システムが火山の沈下を記録します。

火山活動を予測するだけでなく、地熱発電技術を使ってマグマ溜まりを冷却することで爆発的な火山活動を防ぐという、非常に推測的な提案もある。^[17]

• 10年間の火山活動
• 地球深部炭素ガス除去プロジェクト
• 地震予知
• 地理自然科学研究所
• 米国地質調査所
• ヨークルラウプ
• 氷釜

• WOVO（世界火山観測所機構）
• IAVCEI (国際火山学および地球内部化学協会)
• SI (スミソニアン地球火山活動プログラム)